序列性POE之特色與設計

許良榮

一、前言

教學與研究是一種不斷省思與成長的互動歷程，研究可以促進教學的成長，教學可以引發研究的省思與創新。筆者在本校任教近二十年的經驗中，常發現學生對於基本的科學語詞或自然現象，缺乏「科學解釋」的能力（例如：何謂凡得瓦爾力？為何會有凡得瓦爾力？）；也發現學生雖然瞭解所謂的「折射率」、「不同色光的折射率不一樣」，但是對於透過三菱鏡（二次折射）與透過水、鏡子（二次折射一次反射）所形成的彩虹顏色順序，為何會不一樣？學生常無法提出合理的、合邏輯的解釋，因此引發研究者思考如何探索學生的「科學解釋」能力之動機。而本文介紹的「序列性POE（Sequential Predict-Observe-Explain; S-POE）」即是從教學中得到啟發的一種研究設計。此方法基本上是設計用以探討學生的「科學解釋能力」，但是應可發展為一種教學策略。以下先說明科學解釋在科學教學的重要性，再說明序列性POE的設計原則與例子，期望能提供科學教學或研究的參考。

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二、科學過程技能與POE

「科學過程技能」是科學教育中相當重要的教學目標之一，其中包括了觀察、分類…等等共十三項。根據Abruscato的《自然與科技領域教材教法》（莊奇勳譯，民94）指出「美國的2061計畫非常非常強調將探究過程技能教給學生」（P.61），該書並說明「基本探究過程技能」包括了觀察、預測等八項，而五項「基本探究過程技能」中則包含了解釋資料。POE是「預測-觀察-解釋」三者的縮寫，符應了這些過程技能內涵，雖然POE的原始目標不在於教導學生學習預測、觀察與解釋，而是讓學生進行此三項活動，用以探索學生的迷思概念或是當為一種教學策略。但是只要經過妥當設計，利用POE具備的預測-觀察-解釋之特徵，我們可以期望能夠提升學生在科學過程技能之學習。再者，「科學探究」是科學教育重要的教學目標之一，美國的《National Science Education Standards》（NRC，1996）即建議應教導學生「評估證據與考量邏輯以決定最佳的解釋」（P.175）。但是文獻中針對學生「科學解釋」的能力進行探究的研究相當少，有待科學教育學者共同努力。

另一方面，教育部於九十年訂定國民中小學九年一貫課程暫行綱要自然與生活科技學習領域，課程目標包括使學生能夠建立（1）科學知識與過程技能（2）透過科學方式探討與辨正，養成科學思考與科學處理能力（3）認識知識建立的本質，與養成提證據、講道理的處事態度。但是在1992年公佈的第二次國際數理教育評鑑（International Assessment for Education Progress； IAEP）結果中，我國無論是13歲級或9歲級學生的數學及科學的筆試成績，雖然整體成績名列前矛，但有些現象值得憂慮。例如我國的學生似乎只重視知識的記憶而缺乏科學方法的訓練，有不少學生不會區別觀察和推論，自創方法以及實作方式解決問題的能力差（楊榮祥，民83）。由IAEP的評鑑結果，顯示要達成上述的目標仍然有一段的距離需要改善。

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三、科學解釋與解釋一貫性

學生如何解釋自然現象與其具備的科學概念有密切的關係，因為進行「解釋說明」必須運用心智中既存的科學知識或概念，將相關的概念進行合理的組織之後，提出最合理的解釋。因此，如果先備知識不足，則難以期望能提出合理、合邏輯的科學解釋。文獻中也有學者以「科學解釋」的角度說明學生概念的不穩定性或變動性，例如Nakhleh & Samarapungavan（1999）研究學生對於物質的信念，發現學生缺乏真正的說明架構（true explanatory frameworks）。diSessa（1988）則認為兒童心智中沒有一貫性的理論（coherent theory），而是比較鬆散的、非系統性的，也沒有特定的原則去判斷所謂的「解釋一貫性（explanatory coherence）」。

Thagard（1992）在《Conceptual Revolutions》一書中，指出不同科學理論有不同層面的「解釋一貫性」，而「解釋一貫性」是概念革命最主要的機制，例如氧化說取代燃素說，即是因為氧化說有較大的解釋一貫性。Thagard（1992）進一步討論兒童與科學家的概念改變之異同性，認為並沒有理由去懷疑科學家與兒童在「概念產生」以及「獲得新的概念」等的機制是否真的不一樣，比較值得考慮的是兒童跟科學家，會不會評估一個理論的「解釋一貫性」。Thagard（1992）最後建議科學教育應進行的研究之一，即是「探究解釋一貫性在兒童的信念修正（belief revision）及拋棄舊概念系統的角色」（p.261），以及「確定是否可以教導學生對於解釋一貫性有較高的敏感度，而提高敏感度是否能促使學生更能夠學習新的科學理論？」（p.261）。由此觀之，學生是否能達成「解釋的一貫性」是相當值得我們關注的研究問題。

另一方面，筆者從事迷思概念的研究經驗也發現，學生在科學解釋的能力方面相當缺乏，值得注意改進。例如許良榮、蔣盈姿（民94）以POE探究中小學的燃燒概念，研究發現：雖然某些學生經由POE活動調整了他們原先的看法，但是僅有少數學生能以科學原理加以解釋，許多學生仍持有原先的另有概念，或是以其他的另有概念來解釋物質的可燃性，而呈現所謂「偽說明（pseudo-explanation）」的形式，如同Taber（2001）研究發現學生對於自然現象的說明，經常只是徒具形式（form）而缺乏實際說明能力的「偽說明」。例如一位國二學生認為冰糖會燃燒，是「由於冰糖會熔化」的關係，另一位國二受訪學生認為雙氧水不會燃燒，是由於「雙氧水是水的一種」。因此顯示學生的說明能力是教學上值得注意改善之處。該研究也指出學生缺乏應用知識解釋的能力，其原因可能由於一般課程設計較著重教導陳述性知識（declarative knowledge），而運用程序性知識（procedural knowledge）的機會較少，例如教燃燒概念的時候，僅提供學生「燃燒的三個必要的條件是要有可燃物、助燃物及溫度要達到燃點」定義的說明，而學生雖然了解其定義，但是面對不同情境的時候，學生不曉得如何去運用這些概念。因此在教學設計上我們應多給學生運用知識的機會，而不僅是學習概念和定義而已，例如說明燃燒的定義之後，能夠再給予某些實際的例子，讓學生能有應用所學的知識進行判斷，以及練習如何說明和解釋的機會。

四、POE的特徵與功能

POE最初是由美國Pittsburgh大學的Champagne，Klopfer和Anderson於1980年發展的DOE（Demonstrate-Observe-Explain）概念晤談教學策略改良而來的，Gunstone & White (1981) 認為預測的理由能呈現學生原本的認知架構，又能引發學生的學習興趣，而預測階段對了解學生概念及提升教學成效具有重要性，因此將DOE策略設計改良成POE教學策略，以期更富教學成效。

POE基本的程序是設計某一情境讓學生進行「預測」會有何結果或現象發生（例如預測輕重不同的物體，何者先著地？），要求學生寫下自己的預測以及理由之後，接著實際操作讓學生「觀察」有何現象發生？觀察之後寫下自己的觀察結果，如果與預測的不一樣，請學生「說明」原因或理由。此歷程具有認知衝突(cognitive conflict)的特色，即設計的情境是學生常具有的迷思概念（觀察到的現象與預測的不一樣），進而探索學生如何解釋自己的觀點與現象之間的差異。White & Gunstone(1992)舉出數個在力學概念、熱學概念以及Piaget的體積保留概念都屬於POE型式的研究工具，能夠有效而深入探索學生的迷思概念。

此外，進行POE時應注意的是（White & Gunstone, 1992）：（1）要提供一個學生可以預測，而且能基於個人理解進行推理的情境或實驗，若純粹只是猜測則將失去其價值；（2）要提供真實情境與問題給學生，才有助於POE的效果，至少也要提供學童一些支援的線索或說明；（3）要讓學童的觀察是直接可行的，亦即觀察的實驗結果是清晰可見的；（4）可以用勾選的方式，提供幾種可能的情況讓學童做預測，用開放的反應模式，讓學童自己表達想法。

在許多POE的活動，學生經常以日常生活的經驗去支持他們的理由，或者應用與科學原理相異的觀念去解釋自然界現象，因此運用POE策略能有效的鼓勵學生應用自己原有的知識進行推理及解釋，也能探測出在真實情境中學生運用其原有概念及認知結構的情形。筆者在參與國科會推動的「科學概念學習」整合型計畫的過程（89～94年度），曾經採用POE策略探索學生的迷思概念，研究結果也發表於《科學教育學刊》、《科學教育研究與發展季刊》以及NARST國際學術研討會（許良榮、劉政華，民國93；許良榮、蔣盈姿，民國94，Hsu, 2004）。而文獻中學者所採用的POE都是單一實驗或是無關連性的多次POE，主要集中於迷思概念之探索（例如：李家銘，民90；葉淑華、江新合，民91；Gunstone & White，1981；Methembu，2001），或是當為教學策略（例如：葉辰楨，民89；張宗義，民92；Searle & Gustone，1990；Liew & Treagust，1995；Kearney，Treagust，Yeo & Zadnik，2001）。

國內外學者在近二十年來已有上百篇與POE相關的研究文獻，各項實徵性研究的樣本範圍涵括幼稚園到大學生，研究的層面涉及課程、教學、評量、概念診斷、師資培育等各個向度，同時許多POE教學設計也尋求與資訊科技相結合，不僅符合時代的需求也能協助更多的學生運用POE策略進行有意義的學習。例如Palmer(1995)研究以POE技術釐清小學生的科學知識以及科學概念的理解，研究結果顯示，學生熱衷於(enthusiastically)此種技術，POE是一種適合於使教師了解學生概念的技術。Liew & Treagust(1998)綜合採用POE、個別晤談以及班級討論，以診斷11年級學生包括水的膨脹、鹽的溶解度以及燈泡的功率與電阻等概念，該研究顯示POE除了能有效掌握學生的概念理解，也適合做為教學活動之設計。除了診斷學生的迷思概念，POE也是設計概念改變教學策略值得參考的設計，Searle & Gunstone(1990)在為期十二週的教學研究，探討以POE為教學策略對於學生在力學的概念改變，研究結果顯示雖然要達成長期性(long-lasting)的概念改變是困難的，不過POE的教學策略達成了某些成效。而李家銘(民90)探討6位國三個案學生在POE教學活動中的電學概念發展情形，由研究結果發現個案學生經過POE教學後，在十二個認知概念和七個技能概念中，有明顯的進步。顯示POE是一具有潛在價值的教學策略之一。

五、序列性POE的設計

促使筆者發展出「序列性POE」的肇因，是在教授「國小自然科實驗研究」中曾經要求學生解釋表一的實驗二中，以紗網（玻璃窗用的）蓋住杯口，杯子中的水不會流出來的原因？而略為傾斜後，杯子中的水為什麼會流出來？結果發現不少學生不僅無法提出解釋，也混淆表面張力的意義與作用，對於大氣壓力的角色與本質也不清楚，更重要的是提出的解釋經常流於片段、缺乏邏輯關連性以及前後矛盾的現象。例如，先以「表面張力支撐了水的重量」解釋直立時杯子中的水不會流出來，但是面對杯子傾斜水會流出來的現象，改以「水壓力不平衡或大氣壓力因素」解釋，而忽略了前後解釋上的矛盾，亦即缺乏「解釋一貫性」之科學要求的認知。因此引發筆者設計「序列性POE」，期望以科學性研究深入了解學生的科學解釋之特徵。

針對上述學生解釋上的缺失與矛盾，筆者先進行初探性研究，以確定研究的可行性。初探研究設計了四個涵蓋「大氣壓力」與「表面張力」科學概念的S-POE實驗（如表一）。除了第一題，其他三題都是先讓學生「預測」實驗結果，並寫出預測的理由之後，再給予實際實驗結果，並要求「說明」實驗結果的原因。

表一示的S-POE設計原則為：（1）S-POE中所涵括的實驗，必須具有相互關連性，其現象的解釋涵蓋相同的科學概念；（2）所有實驗所涵蓋的科學概念，總計以不超過三個為原則，以達到探求學生之「科學解釋能力」的目標。因為涵蓋的科學概念過多，將不容易歸納、推理學生的前後之解釋的一致性；（3）每個後續實驗，只改變前一個實驗的一個變因，以達能深入探討學生對於單一變因的科學解釋能力；（4）在學生完成一個實驗（POE）的說明之後，必須明確讓學生知曉每一個POE的實際「實驗結果」，以避免學生對後續實驗落入單純的「猜測」，而失去探究學生之「解釋一貫性」的目的；（5）每完成一個實驗（POE），才進行後續的實驗（POE），並要求學生不可再修改先前實驗（POE）已完成的作答。

設計為紙筆測驗方式後，後筆者施測於自然科學教育系的大二學生，共29名。分析結果概述如下：

（1）在實驗一能夠以「大氣壓力」支撐了塑膠片與水的重量說明實驗結果的只有15人（51.7％），顯示學生對此簡易的實驗結果之說明仍有待加強。

（2）在實驗二，錯誤預測「水會流出來」的達25人（86.2％），而了解實驗結果是「水不會流出來」之後，有23人（79.3％）能提出「表面張力」進行說明解釋。但是這23位學生對於後續的實驗三，只有9位（31.0％）學生能持續考慮「表面張力」的因素解釋實驗現象，顯示缺乏「解釋一貫性」，而且正確說明表面張力的平衡被破壞的原因，則只有2人（6.9％）。

（3）如果以「解釋一貫性」的科學性要求而言，由實驗二的實驗結果推論實驗三，除非認識到「杯子傾斜會破壞表面張力的平衡」，否則應該預測實驗三「水不會流出來」，但是研究結果發現幾乎沒有學生能具有「解釋一貫性」的要求，而呈現情境相依（context dependence）的現象。在實驗三正確預測「水會流出來」的學生雖然達到23人（79.3％），但是能考慮水的表面張力的只有7人（24.1%），而能寫出正確說明的則只有4人（13.8%）。

（4）在實驗四正確預測「水會流出來」的學生雖然達到28人（96.6％），但是能提出「杯子內外的大氣壓力相同，水的表面張力不足以支撐水的重量」解釋的只有4人（13.8%），只考慮「大氣壓力」而忽略了實驗二已指明的「表面張力」變因的有18人（62.1%），而解釋完全錯誤的總計有11人（37.9%）。

上述的結果雖然樣本數不多，尚未具代表性，但是顯示出具備理工背景的大二學生，對於基本自然現象的解釋能力的不足，值得進一步深入研究。

表一 初探研究S-POE實驗設計

確定研究的可行性之後，在正式研究將採用質性的「個別晤談」方式，類似於Piaget的臨床晤談，將實驗情境逐一展現在受訪者面前，分別進行觀察-預測-解釋的程序。

六、結語

科學教育多年來常被詬病的缺失之一是；學生經常只學到片段的知識，缺乏科學推理、解釋資料的能力，而學術研究如何落實到教學實務層面，或是學術與教學之間的接軌，是科學教育學界必須持續努力的方向之一。筆者由實際教學發現問題，由教學問題設計研究，由研究探索學生在「科學解釋」的本質與問題，期望研究結果能回饋於教學，以提供改進科學教學的參考。

本文設計的「序列性POE」具有獨創性，不同於文獻中其他研究者只採用單一的或無關連性的POE，此種設計除了POE原本具有的功能，而且以相關連的實驗組成的序列性POE，應能有效深入探討學生如何應用既有知識與概念，以及探索學生如何組織概念以提出科學解釋，希望此設計能引起科學教育學者們進一步研究的參考。

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